对信号设备电源短路故障的分析与思考

胡勇

【摘要】通过电源短路熔断器不熔断的故障现象，从深层次对电路进行分析思考，面对现实情况提出需要关注的问题和对策。

【关键词】电源 短路 分析 思考

电源短路，就是为负载供电的电源在负载之前的线路发生混线，直接短路负载的故障现象。当电源发生短路时，正常情况一般都是电路中的保护装置熔断器迅速熔断，以保护电气设备及电线路不受损坏。但在实践中很多接口电路，因其控制距离长及控制电源低等因素，当电源发生短路时，熔断器并不熔断。现通过一起继电接口电路的电源短路故障，来分析和讨论电路在应用中的现实问题。

1 问题的提出

图 1 是站台按钮功能的接口电路，直流电源 LZ24/LF24 由集中站电源屏引出，为非集中站IBP 盘及设在集中站的继电器提供电源。某地铁线非集中站车控室综合后备盘内的电源端子发生短路故障（图 1 中①处），但设在集中站的 0.5A 熔断器并未熔断。《信号铁路工程设计技术手册》对熔断器的要求是“电源回路中任何一处发生短路故障时，将使线路通过的电流值迅速增长到（或超过）熔断器的熔断电流值，使它立即熔断，以保护电气设备不受损伤”。显然，电路并不符合这项要求，由此也对接口电路进行更深层次的分析和思考。

2 短路电流的计算

发生电源短路故障的集中站与非集中站的站间距离为 2 093 m，线路的电缆长度是 2 338 m，使用 φ1.0 单芯电缆传输。按照电缆的技术参数，直径为 1 mm 的单芯铜线，当温度在 20℃时，每米长有效电阻不大于 0.023 5 Ω。当电源短路后，其短路电流全部分配给缆线内阻 R。依据欧姆定律U=I×R，电缆取每米有效电阻 0.023 5 Ω，电源取 24 V（不考虑波动），则线路中的短路电流 I=U/R=24/0.023 5×233 8×2=0.218 A（除2 是指线路的两条控制线），远小于线路中熔断器 0.5 A，所以熔断器不熔断。如果在负载侧（图 1 中②）出现短路，由于控制电路缆线路径的迂回，线路中的短路电流将更小。

3 电缆最大传输距离的确定

电缆的传输距离与负载的工作电压、线路允许压降、负载电流、导线截面积等诸多因素有关。确定电缆的控制长度时，应考虑电缆抵消传输线路的衰耗后，能满足末端设备可靠工作。

1）以图所示的JWXC-1700型继电器为例，

其最小可靠工作值为16.8V，继电器的电阻为1700Ω，则线路中的电流I=U/R=16.8/1 700≈0.01 A，计算时电源考虑-5%的波动，则线路

允许压降 u=24 V×95%-16.8=6 V，线路的总内阻 r=u/I=6/0.01=600 Ω，那么电缆的控制距离L=600/0.023 5/2=12 765 m，也就是直流24V电源采用单芯电缆控制，考虑电路衰耗因素后，能满足终端负载继电器可靠工作的最大距离。

2）电缆短路时熔断器熔断的最大距离，在不考虑电源波动条件下，熔断器熔断时的最小电流为0.5A。此时，线路的最大电阻R=U/I=24/0.5=48 Ω，也就是线路的内阻，其最大长度

L=48 Ω/0.023 5 Ω/2=1 021 m。这就是说在理想状态下，电源 24 V 0.5 A 采用单芯电缆传输的最大距离不应超过 1 021 m，超过这个距离因电线路内阻的增大，线路中的电流将小于 0.5 A，熔断器将不再熔断。

《信号设计规范》1.0.11 涉及行车安全的铁路信号系统及电路设计，必须符合“故障导向安全”的要求。这是设计信号系统和电路设计遵循的基本原则。现对图 1 中①电路分析如下。

1）控制条件的站台按钮接点设在控制电源和负

载继电器之间，电路采用具有“故障 - 安全”功能的位置法防护，当继电器的两条控制线之发生混线时，因继电器失去电源可靠落下，符合“故障 -安全”原则。

2）继电器的吸起状态与正常使用状态相对应，

电路具有安全对应的闭合电路法防护功能。当控制线断线继电器落下，符合“故障 - 安全”原则。

3）电路采用双断法防护，当控制线之一混入其他电源时（图 1 中②处），不致使继电器错误吸起，能有效减少危险侧故障率的发生。

4）电路中设有熔断器，其作用为了防止电源线路短路或过负载而引起的电线路或电气设备烧损。既使控制电路传输长度超过熔断器不熔断的控制距离，由于电线路内阻的存在，也不会对电线路造成损害，因为熔断器电流 0.5 A 远小于电线路导线安全载流量的最大电流（组成电路的室内导线23×0.15 电流 11 A，室外导线 φ1.0 mm 电缆电流 16 A）。

通过对图 1 的分析，可以得出这样的结论 ：一是由于电路采用了多种安全防护措施，电路具有“故障 - 安全”功能。二是电源短路熔断器不熔断并不等于熔断器不发挥作用。当电路中超过其安全电流 0.5 A 时，同样能断开电路，以保护电气设备不受损伤。这里所说的电气设备是指变压器、继电器、电线路等。

5 需要关注的问题

1）完整可靠的保安系统不仅能保证供电设备的安全，而且对设备发生故障时，还可以缩小故障范围和便于查找故障点。本文举例故障虽然不会对电气设备造成损害，但可能误导维修人员不认为是电源短路故障而延误时间，特别是缺乏经验的人。如果熔断器能迅速熔断，维修人员就能直观准确的判断为电源短路，为排除故障赢得时间。

2）尽可能从施工工艺和维修养护等方面来严

格防止混线故障的发生。针对负载侧提供控制电源，电缆线路存在迂回，为防止两条控制线都混入不同极性的电源（图 1 中 X1 与 X3，X2 与 X4 短路），可考虑把控制条件两端的芯线分缆设计，或把控制条件两端的电缆分配在不同的芯线组隔开使用。

地铁继电接口电路使用的继电器一般都是 JWXC-1700 无极继电器，这种继电器不能鉴别励磁电流的极性，没有混线防护性能。如果改用JPXC-1000 偏极继电器，可利用其特有的电源极性防护功能，来减少危险侧故障率的发生。

4）地铁每个联锁区都有较多的接口。如站台功能的各种按钮、屏蔽门等，区间功能的防淹门，站间功能的车辆段、停车场、试车线、洗车线及与其他线路接轨的联络线等。由于地铁站间距离长，有的联锁区站间距离超过 4 km，加之电缆路径迂回的距离，电缆总长度甚至超过 9 km，既使加芯也需要加很多的芯线，从经济角度考虑采用加芯解决熔断器不熔断的问题不现实。

5）有些特殊情况下产生的故障是难以考虑的。

如在继电器的两端混入能使其错误动作的不同极性的电源等。这类故障除采用尽可能完善的设计系统和电路外，还要依靠加强检查维修和测试监督等辅助手段，来防止危险故障的发生，或将危险性降到可接受的最低限度。

6）电源与负载同侧成倍增加了电缆线条数。设计站联电路的主要技术条件之一就是要求“尽量减少站间联系电路的线条数”。而电源与负载同侧方案，每个继电器电路都需要增加 2 条控制电源的线条数，由于电源线较多，不利于电缆芯线间的混线防护。

【参考文献】

[1]中国铁路通信信号总公司研究设计院 . 铁路工程设计技术手册（信号）[S]. 北京 ：中国铁道出版社，1993.

[2]伍文卿，毛大地 . 6502 电气集中电路（修订版）[M]. 北京 ：中国铁道出版社，1997.